独家丨中国科学院牟刚：LK-99未得到充分证明室温常压超导仍处于概念阶段

来源：21世纪经济报道 2023-08-04 19:19:26

21世纪经济报道记者王雪、实习生薛镕江武汉报道

若室温超导成为现实，超长距离输电将高效无损耗、电子设备不再需要制冷系统来降低工作温度、核磁共振成像将会成本更低、高能物理实验以及人工可控核聚变研究等诸多前沿科学领域再向前一大步......能源、交通、医疗、计算机等领域的发展轨迹将被彻底改写。

因此，任何一项事关室温超导的研究都能引起广泛关注。今年3月，美国罗切斯特大学物理学家兰加·迪亚斯及其团队宣布，他们已经创造出可以在室温条件下实现超导的全新材料，但在不久后被证伪。7月，韩国研究团队又发文称合成了全球首个室温常压超导体LK-99（一种掺杂铜的铅磷灰石），临界温度为127℃。紧接着，网上开始大规模传播LK-99复现视频，并称已验证迈斯纳效应。

【资料图】

市场高度关注之下，LK-99究竟是不是室温超导材料？室温超导真的走进现实了吗？人们要如何理性看学界给出的研究成果？中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员牟刚在接受21世纪经济报道记者专访时指出，当前室温常压超导仍处于概念阶段，目前已公开的数据无法百分之百确定LK-99是室温超导体，仍需专业人士进行科学审慎的验证。

（中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员牟刚/受访者供图）

室温常压超导仍处于概念阶段

21世纪：近段时间学界涌现大量室温超导研究，室温超导究竟意味着什么？

牟刚：超导通常指代某种表现出非常优越的导电性能的材料，其电阻为零、并且具有完全抗磁性。

目前所发现的超导材料，都必须在低温下才能显现零电阻特性。1911年，荷兰科学家昂内斯在用液氦冷却水银时发现，当温度下降到4.2K（约为零下269摄氏度）时，水银的电阻完全消失。这种现象称为超导电性，达到超导时的温度称为临界温度。

提高超导材料的临界温度，一直是超导领域研究人员的一个努力方向。1986年，业界首次发现了铜氧化物超导材料，随后其超导温度被迅速提升到液氮温区，即零下196摄氏度。液氮的廉价和易得，大大推动了铜氧化物超导材料在信息技术、生物医学、科学仪器、电力、交通运输等领域的应用。但经过近40年的研究，铜氧化物仍然是在常压下唯一进入液氮温区的非常规超导体。

在提升超导临界温度方面目前取得较大进展的是高压下的富氢化合物。在很久以前就有理论学家预言，固态氢很可能是一种超导体，并且具有很高的临界温度。

只是，要把氢气压成类似金属的固体，需要超高的压力，所以科学家们转而在含有氢元素的富氢化合物中寻找高温超导体。几年前，科学家们在H3S（单质硫和氢气在低温高压下可形成一种新型超导材料）中发现了高达203 K的超导行为，打破了有铜氧化物保持的记录。目前学术界比较公认的具有最高临界温度的超导材料是LaH10（由氢原子和镧系金属组成），其临界温度在250-260 K，相当于零下十几度，可以说距离室温超导已经只有一步之遥了。

值得注意的是，这些富氢化合物的高温超导，均需要高达200万大气压的极高压强，因此仍旧不能够走向实际应用。

室温常压超导指的是材料在室温常压条件下便能实现的超导功能，但目前仍是一个没有实现的概念，也是超导材料学家们努力的一个方向。

21世纪：实现室温常压超导的难点在哪里？

牟刚：最难的地方在于没有理论支撑何种材料能在室温条件下实现超导。如果有令人信服的理论能够预言何种材料能够在室温实现超导，那么研究材料学家一定会想尽一切办法研究出相适用的材料。

21世纪：影响超导材料广泛应用的最大制约是什么？

牟刚：现在的最大问题是超导临界温度不够高。当然，若满足了这一条件，在室温超导体投入使用的过程中还会面临其他的许多问题。

例如，室温超导体用来输电，就要考虑它对电流的承载能力是不是达到要求，也就是说临界电流也是超导材料的重要指标。虽然室温超导电阻为零，但超过了一定的电流后，超导状态便不能维持，自然就不能没有损耗地输电。

所以下一步还要考虑提高室温超导的临界电流。另外在室温超导的加工上，还要考虑稳定性等其他问题。当然现在首先要突破的是超导临界温度。

无法确认LK-99是室温超导体

21世纪：韩国一研究团队声称发现了首个室温常压超导体LK-99，事实情况如何？

牟刚：首先，该韩国研究团队在arXiv网站提交的文章是预印本，尚未经过同行评议，没有在正规期刊上发表的论文初稿，其权威性、准确性值得商榷。

其次，要判断一个材料是不是超导体，必须满足两个条件，一是必须为零电阻，二是要具有迈斯纳效应，即完全抗磁性。以上两种特性必须通过专业的仪器设备进行测试。

目前韩国团队给出的其中一个较浅显易懂的证据，是材料呈现悬浮的状态的视频，但这只是必要非充分的条件，因为超导磁悬浮只是悬浮现象的一种，并不能说明视频中的悬浮现象一定是超导材料引起的。

另外，根据我看到的数据，韩国团队的报道中LK-99没有达到零电阻，电阻只是出现了下降，这也是判断超导行为的一个必要不充分条件。因为还有其他原因也可能导致电阻的下降，例如绝缘体到金属的相变，通俗来讲就是当绝缘体由于某种原因突然变成了金属，电阻也有可能下降几百甚至几万倍。

所以从上述两方面总结，韩国研究团队提供的证据不严谨、不充分，不能百分之百确定LK-99是室温超导体。

21世纪：但美国劳伦斯伯克利国家实验室学者在arXiv发文表示已经从理论上支持LK-99具有室温超导能力，对此你如何评价？

牟刚：我的理解是，实验还没有完全确定的情况下，这个理论可能要打问号，因为文章是基于LK-99这个材料在做解释性工作。一般而言，某个室温超导材料被发现，通过理论计算的方式，或许可以解释该超导材料为何能在室温下实现超导，但目前从理论上还做不到对室温超导材料的预测，当然就更谈不上证实了。所以我认为LK-99的室温超导能力没有得到实验确证的基础上，美国团队给出仅仅是一个可能的解释，我们应该对该解释持观望状态。另外，LK-99到底能不能在室温常压条件下真正进入超导状态，还需要进行精确的实验检验。

21世纪：有中国研究团队在网上发布视频称验证了LK-99的迈斯纳效应，在您看来这种验证符合科学的逻辑吗？

牟刚：一般来讲，要验证某个材料的迈斯纳效应（完全抗磁性），需要测试材料在磁场下的反应，即磁化率。当磁化率达到-1时，就是完全抗磁性。但当前复现视频呈现的多数情况是把材料放在磁铁上，然后它有悬浮的状态。

首先从逻辑上，磁悬浮不一定是超导带来的。其次，仅看到悬浮的现象，无法判断材料是不是完全抗磁性，需要精确地测试它的磁化率随温度和磁场的变化行为。

而精准地测定磁化率，需要专门的实验仪器，绝不能仅停留在肉眼可见的现象。另外电阻测试与常规测试也不一样，需要使用四探针的方式，来排除引线自身电阻和接触电阻的影响，这样才能准确探测到材料的真实状态。

中国超导研究处于领先地位

21世纪：当前我国在超导领域研究进展如何？

牟刚：国内的超导研究可以分为基础研究和应用研究。在我看来，基础研究主要包括两个方面，一是研究超导材料的物理原理，二是探索发现更适合应用的新超导材料。基础研究的成果可能不会马上带来实际的应用，但是对长远的发展会有很大的推动作用。应用研究方面，主要是研究如何将目前已有的超导材料如何更好地实际利用的问题。

在基础研究和应用研究两个方面，国内都有很大的进展，在国际上也处于较为领先的地位。例如，在超导新材料探索领域，1987年，中国科学院物理研究所的赵忠贤团队独立发现了临界温度93K（零下184摄氏度）的钇钡铜氧超导体，突破了77K的液氮温区，这意味着人类可以利用成本较低的液氮来制造超导体，铜基超导材料自此成为了超导研究的一个重要领域。

2008年，中国科学家合成了一系列的铁基超导体，最高临界温度达到了55K（零下218.15摄氏度），至今仍保持着铁基超导块体材料临界温度的记录。就在最近，中山大学研究团队发现了具有较高临界温度的新型镍氧化物超导材料。

在应用研究领域，国内也有一些很好的进展。例如用超导材料的零电阻效应输电。2021年年末，上海国际超导科技有限公司牵头自主研发制造的世界首条35千伏公里级超导电缆输电工程在上海正式投运，这开创了公里级超导电缆在全球城市核心区域的应用先例，目前已经在稳定运行，后续可能会有更大规模的应用。另外，超导材料还在滤波器、微弱磁信号和光信号探测、射频谐振腔、量子计算等领域都有很大的应用空间和前景。

21世纪：如何使超导技术应用在日常生活中？

牟刚：目前，由于需要制冷，超导材料主要应用在相比传统材料显示出明显优势的场景。当然，超导材料在日常生活中也有应用，例如医院里的核磁共振仪，其中的磁体就是使用的超导材料。

真正走进日常生活有两种可能，一种是发现室温下的超导材料，且具备大规模应用的潜力。那时特高压输电线都可以换上超导材料。

另外，制冷技术的进步也将推动超导材料的应用。但从日常生活角度考量，超导体的制冷成本依然很高，并且制冷设备的体积也比较大，无法灵活使用。

因此，超导技术要真正应用在我们日常生活中还需要攻克多环节难题，提高超导体的临界温度是重中之重。

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